한국정밀공학회 2013 년도 춘계학술대회논문집 1. 서론 광 조형기술은 광경화성 수지를 사용하여 레이저나 가시광선, 자외선을 광원으로 한 스폿광을 수지의 표면에 조사하여 슬라이싱된 단면이미지를 한층씩 경화시켜 적층하여 조형하는 기술이다.광조형 기술에는 수지를 제어하는 기법에 따라서 자유표면기법(Free-surface)와 규제액면기법(Constrained-surface)로 나뉜다. 규제액면기법은 수지 높이 제어가 정확하여 일정한 적층 두께를 가지고 수지 리코팅 시간이 적어 빠른 가공이 가능하다. 그러나 액면규제기법은 투영창을 사용하기 때문에 적층 시 경화된 고분자 부분이 투영창에 고착되어 다음 적층 공정 때 적층오류나 구조물의 손상 및 파손을 초래한다. 이처럼 규제액면방식은 투영창에서의 이형력이 문제시 되고있다. 본 연구에서는 LCD 기반의 규제액면방식을 사용하는 장비에서의 투영창에서의 점착현상을 최소화하여 보다 정밀한 3 차원 구조물 제작을 위해 시도되었다. 실험 방법은 로드셀이 장착된 이형력 측정 장비(SFTS)를 사용하여 투영창의 이형력 및 수지의 이형력을 측정한 후 최소의 이형력 조건을 갖추어 3 차원 구조물을 제작한다.
2. Separation Force Test System
Fig. 1 Schematic of SFTS
본 연구에서 사용된 Separation Force Test System(SFTS)는 Fig. 1 과 같이 구성되어있다. SFTS 는 구동부, 센서부, 제어부, 광원부로 구성된다. 구동부는 Z 축과 정밀제어를 위해 서보모터가 장착되어있고, 센서부는 Z 축의 정확한 높이 제어와 X 축의 정확한 거리 제어를 위해 근접스위치를 장착하고 이형소재와 수지의 이형력 측정을 위해 다셀의 5kg 로드셀이 장착되어있다. 제어부는 로드셀에서 측정된 값을 저장하고 X 축과 Z 축 제어를 위해 산업용컴퓨터를 장착하였으며, 광원부에는 이미지 패터닝을 위해 7 인치 LCD 패널을 사용하고 가시광선 LED 를 배열로 나열하여 스캐닝 할 수 있도록 X 축에 삼성의 스태핑 모터를 장착하였다. 3. 실험 방법 실험에 사용된 광경화성 수지는
MPTA(Trimethylolpropane Triacrylate)와 DPHA
규제액면방식의 광조형 시스템에서 이형력 감소를 통한
3 차원 정밀 구조물 제작
Precise fabrication of 3-D structure by reducing
separation force in the constrained-surface
stereolithography system
*김혜정1, #이석희2, 박인백3
*H.J.Kim1, #S.H.Lee([email protected])2 , I.B.Park3
1
부산대학교 기계공학부, 2부산대학교 기계공학부, 3(주)씨에이텍 Key words : Stereolithography, Constrained surface
한국정밀공학회 2013 년도 춘계학술대회논문집 (Dipentaerylthritol Hexaacrylate)를 7:3 의 비율로 합성한 후 광 개시제인 Chivacure534SS 를 2(wt.%) 첨가한 것을 기본수지로 사용했다. 합성한 수지를 사용하여 SFTS 장비에서 유리, FEP sheet, PDMS 의 이형력을 측정했다. 측정 결과는 Fig. 2 와 같다. FEP sheet 는 0.085kgf/cm2, 유리는 3.345kgf/cm2
, PDMS 는 1.989kgf/cm2으로 FEP sheet 가 세가지 이형 소재 중 가장 이형력이 낮게 측정되었다.
Fig. 2 Separation force according to covering material 위 실험 결과를 토대로 SFTS 에 FEP sheet 를 적용하여 수지 온도별 이형력을 측정했다. 온도별 이형력 측정에 사용된 수지는 기본수지와 기본수지에 IBOA(Isobornyl Acrylate) 10(wt.%)를 혼합한 수지를 사용했으며, 20℃에서 40℃까지 5℃간격으로 실험했다. 실험 결과는 Fig. 3 과 같다.
Fig. 3 Separation Force according to resin temperature 측정 결과 기본수지는 30℃에서 가장 낮은 이형력인 0.078 kgf/cm2 , 기본수지에 IBOA 를 섞은 수지는 40℃일 때 0.057 kgf/cm2으로 가장 낮은 이형력이 측정 되었다. 4. 구조물 제작 3 의 실험 결과를 토대로 이형력이 가장 우수한 FEP sheet 와 기본수지에 IBOA 를 섞은 수지를 40℃까지 온도를 상승시켜 구조물을
제작하였다. Fig. 4 는 최소의 이형력을 적용시켜 제작한 구조물의 모습이다.
(a)
(b) (c)
Fig. 4 Fabrication of lamination test (a) 3D model (b) Front view (c) upper view
5. 결론 본 연구에서는 SFTS 를 사용하여 이형소재와 수지의 이형력을 측정한 결과로 FEP sheet 와 40℃에서 기본수지에 IBOA10wt.%를 섞은 수지가 이형력이 가장 좋음을 확인할 수 있었고 위의 조건에서 구조물을 제작했을 때 구조물이 정밀하게 제작됨을 볼 수 있었다. 후기 본 연구는 지식경제부, 한국산업기술진흥원, 동남광역경제권 선도산업지원단의 광역경제권 선도산업 육성사업으로 수행된 연구임. 참고문헌
1. 박인백 ” Digital Micromirror Device(DMD)기 반의 미세 광조형에서 복합 미세구조물의 정밀제작기법 ” 부산대학교 기계공학 박사 학위 논문, 18-20, 2010. 2. 김혜정,"액면규제기법의 광조형시스템에서 정밀 이형을 위한 연구" 한국 정밀공학회 추계학술대회 논문집, 369-370 , 2012.
